科学家发现新型二维量子材料 质量增加100倍

科学家发现新型二维量子材料质量增加100倍"CeSiI中的电子比普通材料中的电子质量大100倍。这就是它们被称为重费米子的原因。"这项研究背后的乌普萨拉大学研究人员之一Chin-ShenOng说："CeSiI的特别之处在于，这种有效质量是各向异性的，它取决于电子在原子层中移动的方向。"瑞典乌普萨拉大学物理与天文学系研究员Chin-ShenOng。资料来源：乌普萨拉大学这项研究是乌普萨拉大学材料理论研究人员与美国哥伦比亚大学研究人员的合作成果。对于乌普萨拉大学的材料研究人员来说，主要问题是从理论上研究材料中电子的量子特性。重费米子的背景和意义重费米子化合物是一类电子相互作用异常强烈的材料。在此过程中，它们在所谓的量子波动中协调运动。这种相互作用使电子的质量比普通材料中的电子大100或1000倍。这些量子波动被认为在许多至今无法解释的量子现象中发挥了重要作用，如非常规超导现象（电流可以通过材料而不损失能量）和磁性。这种新型量子材料是在哥伦比亚大学实验室合成的，其独特之处在于它具有类似二维的晶体结构，各层之间有明显的分离，原子厚度很薄。这些层由铈、硅和碘（CeSiI）组成，是首例具有重费米子的二维材料。有关重费米子材料的研究已经进行了几十年，但直到现在，研究重点仍是原子紧密排列成三维结构的材料。早在20世纪70年代，乌普萨拉大学的研究人员就开始重点研究铈基材料，并取得了巨大成功。然而，由哥伦比亚大学实验室合成的这种新材料却独一无二，因为它具有类似二维的晶体结构，各层之间有明显的分离，原子厚度很薄。这些层由铈层、硅层和碘层（CeSiI）组成，是首例具有重费米子的二维材料。"有了这一发现，我们现在有了一个大大改进的材料平台，可以用来研究相关电子结构。二维材料就像乐高积木。我们的合作伙伴已经在着手添加其他二维材料的层，以创造出一种具有定制量子特性的新材料，"Chin-ShenOng说。编译来源：ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1417027.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1417027.htm

开创性的实验方法揭开了二维材料中自旋结构的秘密

开创性的实验方法揭开了二维材料中自旋结构的秘密研究人员发现了一种新的实验技术来研究二维量子材料中的电子自旋特性，克服了一个长期的挑战，并有可能使基于这些材料的先进计算和通信技术得到发展。资料来源：李佳/布朗大学阻碍科学家们测量电子自旋的典型方法--一种使物理宇宙中的一切具有结构的基本行为--通常在二维材料中不起作用。这使得充分了解这些材料并推动基于它们的技术进步变得异常困难。但是由布朗大学研究人员领导的一个科学家团队认为他们现在有办法解决这一长期的挑战。他们在5月11日发表在《自然-物理》杂志上的一项新研究中描述了他们的解决方案。在这项研究中，该团队--其中还包括来自桑迪亚国家实验室综合纳米技术中心和因斯布鲁克大学的科学家--描述了他们认为是第一次显示二维材料中旋转的电子与来自微波辐射的光子之间直接互动的测量。据研究人员称，电子对微波光子的吸收被称为耦合，它建立了一种新的实验技术，用于直接研究电子在这些二维量子材料中如何旋转的特性--这种技术可以作为开发基于这些材料的计算和通信技术的基础。"自旋结构是量子现象中最重要的部分，但我们从来没有真正在这些二维材料中直接探测过它，"布朗大学物理学助理教授、该研究的资深作者李佳说。"这一挑战使我们在过去20年里无法从理论上研究这些迷人的材料中的自旋。我们现在可以用这种方法来研究很多以前无法研究的不同系统。"研究人员在一种相对较新的二维材料上进行了测量，这种材料被称为"魔角"扭曲双层石墨烯。这种基于石墨烯的材料是在两片超薄的碳层堆叠并扭曲到恰到好处的角度时产生的，将新的双层结构转化为一种超导体，使电力流动没有阻力或能量浪费。2018年刚刚发现，研究人员专注于这种材料，因为围绕它的潜力和神秘感。"2018年提出的很多重大问题仍未得到解答，"领导这项工作的布朗大学Li实验室的研究生ErinMorissette说。物理学家通常使用核磁共振或NMR来测量电子的自旋。他们通过使用微波辐射激发样品材料的核磁特性，然后读取这种辐射引起的不同特征来测量自旋。二维材料所面临的挑战是，电子对微波激发的磁性特征太小，无法检测。该研究小组决定随机应变。他们没有直接检测电子的磁化，而是使用布朗大学分子和纳米创新研究所制造的设备测量电子电阻的细微变化，这些变化是由辐射的磁化变化引起的。电子电流流动的这些细微变化使研究人员能够使用该设备检测电子正在吸收微波辐射的照片。研究人员能够从实验中观察到新的信息。例如，研究小组注意到，光子和电子之间的相互作用使该系统某些部分的电子表现得像在反铁磁系统中一样--这意味着一些原子的磁性被一组以相反方向排列的磁性原子所抵消了。研究二维材料中自旋的新方法和目前的发现不会适用于今天的技术，但研究小组看到了该方法在未来可能导致的潜在应用。他们计划继续将他们的方法应用于扭曲的双层石墨烯，但也将其扩展到其他二维材料。Morissette说："这是一个真正多样化的工具集，我们可以用它来获取这些强相关系统中电子秩序的一个重要部分，并在总体上理解电子在二维材料中的行为。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1360033.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1360033.htm

通向3D材料革命的大门：研究人员为石墨注入石墨烯元素

通向3D材料革命的大门：研究人员为石墨注入石墨烯元素华盛顿大学领导的研究小组发现，将石墨烯薄片以很小的扭曲角度堆叠在块状石墨上（上图），石墨烯-石墨界面（黄色）上的"奇异"特性就会渗入石墨本身。资料来源：埃利斯-汤普森多年来，科学家们一直在探索由单层原子组成的二维材料的潜力，以彻底改变计算、通信和能源等各个领域。在这些材料中，电子等亚原子粒子只能在二维空间运动，这导致了电子的异常行为和所谓的"奇异"特性。这些特性包括奇异的磁性、超导性和电子间的其他集体行为--所有这些都可能在计算、通信、能源和其他领域大有用武之地。传统上，研究人员认为这些奇异的二维特性只存在于单层薄片或短堆栈中，而这些材料的所谓"块体"版本则由于其复杂的三维原子结构而表现出不同的行为。与上述假设相反，华盛顿大学领导的研究小组于7月19日在《自然》杂志上发表的一项突破性研究表明，有可能赋予石墨这种日常铅笔中的大块三维材料以类似于其二维对应物石墨烯的特性。这一突破不仅出乎意料，研究小组还认为其方法可用于测试类似类型的块状材料是否也能具有类似二维的特性。如果是这样，二维薄片将不会是科学家们推动技术革命的唯一来源，块状三维材料可能同样有用。"将单层堆叠在单层上--或将两层堆叠在两层上--几年来一直是揭示二维材料新物理特性的重点。在这些实验方法中，出现了许多有趣的特性，"资深作者、华大物理学和材料科学与工程学助理教授马修-扬科维茨（MatthewYankowitz）说。"但是，如果不断增加层数会发生什么呢？最终，它必须停止，对吗？这就是直觉的暗示。但在这种情况下，直觉是错误的。在三维材料中混合二维特性是可能的。"由大阪大学和日本国立材料科学研究所的学者组成的研究小组采用了一种常用的方法来处理二维材料。他们以很小的扭曲角度将二维薄片堆叠在一起。研究人员将单层石墨烯置于薄的块状石墨晶体之上，并在两者之间引入了约1度的扭曲角。他们不仅在扭曲的界面上，而且在块状石墨内部发现了新颖的、意想不到的电学特性。Yankowitz同时也是华大清洁能源研究所和华大纳米工程系统研究所的教员，他解释说，扭曲角对于产生这些特性至关重要。二维薄片（如两片石墨烯）之间的扭曲角度会产生所谓的摩尔纹，从而改变电子等带电粒子的流动，诱导材料产生奇特的性质。在石墨和石墨烯的实验中，扭转角度也诱发了摩尔纹，产生了令人惊讶的结果。仅在石墨烯-石墨界面引入的扭曲改变了整个石墨材料的电特性。当施加磁场时，石墨晶体深处的电子表现出与扭曲界面类似的异常特性。从本质上讲，单个扭曲的石墨烯-石墨界面变得与块状石墨的其他部分密不可分地混合在一起。"虽然我们只是在石墨表面产生摩尔纹，但由此产生的特性却渗透到整个晶体中，"共同第一作者、华盛顿大学物理学博士后研究员达肯-沃特斯（DacenWaters）说。对于二维薄片来说，摩尔纹产生的特性可用于量子计算和其他应用。在三维材料中诱导类似的现象，将为研究不寻常和奇异的物质状态以及如何将它们带出实验室、带入我们的日常生活提供新的方法。共同第一作者、华盛顿大学物理学博士生埃利斯-汤普森（EllisThompson）说："整个晶体都呈现出这种二维状态。这是影响块体材料中电子行为的一种全新方式。"扬科维茨和他的团队认为，他们在石墨烯和块状石墨晶体之间产生扭转角的方法可以用来制造其姊妹材料的2D-3D混合体，包括二碲化钨和五碲化锆。这将开启一种新方法，利用单一二维界面重新设计传统块体材料的特性。Yankowitz说："这种方法可以成为研究具有混合二维和三维特性的材料中令人兴奋的新物理现象的一个真正丰富的乐园。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1371903.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1371903.htm

分子魔法：研究人员开发出比钢铁更坚固的轻质二维材料

分子魔法：研究人员开发出比钢铁更坚固的轻质二维材料研究人员已经开发出一种方法，在多层堆叠时保留被称为共价有机框架（COFs）的二维聚合物的机械性能。通过调整其分子结构，该团队创造了一种轻质材料，其强度是钢的数倍，即使在多层形式下也能保持其二维特性。潜在的应用包括过滤膜和升级的电池。这项研究还可以影响陶瓷和金属的设计，有可能使它们在较低的温度下制造和修复。"想想石墨铅笔，"马里兰大学（UMD）机械工程系的基石教授TengLi说。"它的核心是由石墨制成的，而石墨是由许多层石墨烯组成的，石墨烯已被发现是世界上最坚硬的材料。然而，石墨铅笔在所有的事实中并不强大，石墨甚至被用作润滑剂。"现在，李和莱斯大学和休斯顿大学的合作者已经找到了克服这一障碍的方法，通过仔细调整被称为共价有机框架（COFs）的二维聚合物的分子结构。这些发现在发表于《美国国家科学院院刊》的一项新研究中得到了详细说明。领导莱斯大学团队的莱斯大学材料科学和纳米工程教授JunLou说："这是一个非常令人兴奋的起点。"研究人员发现的共价有机框架材料的一个样品，作为多层堆叠，保留了其二维机械性能。资料来源：GustavoRaskosky/莱斯大学利用分子水平的模拟，研究人员研究了不同的官能团--即分子元素的排列，然后设计了两种结构上有细微差别的COFs。然后他们研究了COFs在堆叠成层时的表现。结果发现，微小的结构差异导致了明显不同的结果。第一个COF，像大多数二维材料一样，只显示了层与层之间的微弱相互作用，而且随着层数的增加，强度和弹性都会下降。PNAS论文的共同作者、莱斯大学博士生QiyiFang说："第二种COF则不同，它表现出强烈的层间相互作用，即使添加多层也能保持其良好的机械性能。"根据研究人员的说法，这种现象很可能是由于氢键的作用。"我们从模拟中发现，第二类COF中的强层间相互作用是由于其特殊官能团之间的氢键明显增强，"共同第一作者、UMD博士后研究员和李的研究小组成员彭正谦说。应用他们的发现，研究小组随后生产了一种轻质材料，它不仅比钢强数倍，而且即使在堆积成多层时也能保持其二维特性。其潜在的应用有很多。"COFs可以成为优秀的过滤膜，"莱斯的Lou说。"对于一个过滤系统来说，孔隙的官能团结构将是非常重要的。比如说，当你有脏水通过COF膜时，孔隙处的官能团将只捕获杂质，而允许所需的分子通过。在这个过程中，该膜的机械完整性将是非常重要的。现在我们有办法设计出非常坚固、非常抗断裂的多层二维聚合物，它们可以成为膜过滤应用的非常好的候选者。"另一个潜在的应用是用于升级电池：用硅取代石墨阳极将大大增加当前锂离子电池技术的存储容量。从这项研究中得到的启示还可能导致在设计广泛的材料方面取得进展，包括陶瓷和金属。例如，陶瓷依赖于在非常高的温度下形成的离子键，这就是为什么破碎的咖啡杯不容易被修复。同样，金属也需要在高温下锻造。通过研究人员正在探索的分子调整，可以想象类似的产品可以被制造和修复，而不需要调高温度。虽然眼前的背景是二维材料，但更广泛地说，研究人员正在开拓利用材料的有利特性而不受这些材料的限制的方法。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1358423.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1358423.htm

麻省理工学院在将二维材料集成到设备方面取得突破

麻省理工学院在将二维材料集成到设备方面取得突破这幅艺术家的作品展示了麻省理工学院研究人员开发的一种新型集成平台。通过对表面力进行工程设计，他们只需一个接触和释放步骤，就能将二维材料直接集成到设备中。图片来源：SampsonWilcox/电子研究实验室提供但是，将二维材料集成到计算机芯片等设备和系统中是众所周知的难题。这些超薄结构可能会受到传统制造技术的破坏，这些技术通常依赖于使用化学品、高温或蚀刻等破坏性工艺。为了克服这一挑战，麻省理工学院和其他大学的研究人员开发出了一种新技术，只需一步就能将二维材料集成到设备中，同时保持材料表面和由此产生的界面原始无缺陷。他们的方法依赖于纳米级的工程表面力，使二维材料可以物理叠加到其他预制设备层上。由于二维材料不会受损，研究人员可以充分利用其独特的光学和电学特性。所开发的平台利用行业兼容的工具集，使这一过程可以扩展。在这里，主要作者彼得-萨特斯韦特（PeterSatterthwaite）使用MIT.nano中修改过的配准工具进行图案化配准集成。他们利用这种方法制造出了二维晶体管阵列，与使用传统制造技术制造出的器件相比，实现了新的功能。他们的方法用途广泛，可用于多种材料，可在高性能计算、传感和柔性电子器件等领域广泛应用。释放这些新功能的核心是形成清洁界面的能力，所有物质之间存在的特殊力量（称为范德华力）将这些界面连接在一起。电子工程与计算机科学（EECS）助理教授、电子学研究实验室（RLE）成员FarnazNiroui是介绍这项工作的新论文的资深作者。"范德华积分有一个基本限制，"她解释说，"由于这些作用力取决于材料的内在特性，因此无法轻易调整。因此，有些材料无法仅利用其范德华相互作用来直接相互整合。我们提出了一个解决这一限制的平台，以帮助范德华集成变得更加通用，从而促进具有新功能和改进功能的基于二维材料的设备的开发。"Niroui与论文第一作者、电子工程与计算机科学研究生PeterSatterthwaite，电子工程与计算机科学教授、RLE成员JingKong，以及麻省理工学院、波士顿大学、台湾国立清华大学、台湾国家科学技术委员会和台湾国立成功大学的其他人共同撰写了这篇论文，这项研究最近发表在《自然-电子学》上。纳米级表面力的多样性使研究人员能够将粘合剂基质转移到许多不同的材料上。例如，在这里，通过使用粘合聚合物，他们能够将图案化的石墨烯（一原子厚的碳薄片）从源基底（上图）转移到接收粘合聚合物（下图）上。图片来源：Niroui小组提供使用传统制造技术制造计算机芯片等复杂系统可能会变得一团糟。通常情况下，像硅这样的硬质材料会被凿成纳米级，然后与金属电极和绝缘层等其他元件连接，形成有源器件。这种加工过程会对材料造成损害。最近，研究人员专注于使用二维材料和一种需要连续物理堆叠的工艺，自下而上地构建设备和系统。在这种方法中，研究人员不是使用化学胶水或高温将脆弱的二维材料粘合到硅等传统表面上，而是利用范德华力将一层二维材料物理集成到设备上。范德华力是存在于所有物质之间的自然吸引力。例如，壁虎的脚会因为范德华力而暂时粘在墙上。虽然所有材料都存在范德华力，但根据材料的不同，范德华力并不总是强大到足以将它们粘在一起。例如，一种名为二硫化钼的流行半导体二维材料会粘在黄金上，但不会通过与二氧化硅等绝缘体表面的物理接触直接转移到该表面上。然而，通过整合半导体层和绝缘层制成的异质结构是电子设备的关键组成部分。以前，实现这种集成的方法是将二维材料粘合到一个中间层（如金）上，然后使用该中间层将二维材料转移到绝缘体上，最后再使用化学品或高温去除中间层。麻省理工学院的研究人员没有使用这种牺牲层，而是将低粘性绝缘体嵌入高粘性基质中。这种粘合基质使二维材料粘附在嵌入的低粘合力表面上，提供了在二维材料和绝缘体之间形成范德华界面所需的力。制作矩阵为了制造电子设备，他们在载体基底上形成金属和绝缘体的混合表面。然后将该表面剥离并翻转，就会看到一个完全光滑的顶面，其中包含所需的器件构件。这种光滑度非常重要，因为表面和二维材料之间的间隙会阻碍范德华相互作用。然后，研究人员在完全洁净的环境中单独制备二维材料，并将其与制备好的器件堆栈直接接触。"一旦混合表面与二维层接触，无需任何高温、溶剂或牺牲层，它就能拾取二维层并将其与表面整合在一起。"萨特斯韦特解释说："通过这种方式，我们可以实现传统上被禁止的范德华集成，但现在却可以实现，而且只需一步就能形成功能齐全的器件。"这种单步工艺可使二维材料界面保持完全清洁，从而使材料达到其性能的基本极限，而不会受到缺陷或污染的影响。而且，由于二维材料的表面也保持原始状态，研究人员可以对二维材料的表面进行工程设计，以形成与其他元件的特征或连接。例如，他们利用这种技术制造出了p型晶体管，而利用二维材料制造这种晶体管通常是具有挑战性的。他们的晶体管在以前的研究基础上有所改进，可以为研究和实现实用电子产品所需的性能提供一个平台。展望未来他们的方法可以大规模地制造更大的装置阵列。粘合基质技术还可用于一系列材料，甚至与其他力量结合使用，以增强这一平台的多功能性。例如，研究人员将石墨烯集成到器件上，利用聚合物基质形成所需的范德华界面。在这种情况下，粘附依靠的是化学作用，而不仅仅是范德华力。未来，研究人员希望以此平台为基础，整合各种二维材料库，在不受加工损伤影响的情况下研究其内在特性，并利用这些卓越功能开发新的设备平台。编译自:ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1423078.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1423078.htm

科学家发现了由二维材料六方氮化硼制成的板状波导

科学家发现了由二维材料六方氮化硼制成的板状波导美国海军研究实验室（NRL）与堪萨斯州立大学合作，宣布发现了由二维材料六方氮化硼制成的板状波导。这一里程碑式的发现已在《先进材料》（AdvancedMaterials）杂志上发表。二维（2D）材料是一类可以通过机械剥离层来还原到单层极限的材料,通过所谓的"苏格兰胶带"法，可以利用微弱的层间吸引力或范德华吸引力将各层分开。最著名的二维材料石墨烯是一种由单层碳原子组成的半金属材料。最近，包括半导体过渡金属二掺杂物（TMDs）和绝缘六方氮化硼（hBN）在内的其他二维材料也引起了人们的关注。当降低到接近单层极限时，二维材料具有独特的纳米级特性，这对制造原子级薄型电子和光学设备很有吸引力。新型材料与应用部门的SamuelLagasse博士说："我们知道使用六方氮化硼会使我们的样品具有出色的光学特性，但我们谁也没想到它还能起到波导的作用。由于氮化硼在基于二维材料的设备中应用如此广泛，这种作为光波导的新用途可能会产生广泛的影响。"六边形氮化硼波导中的波导光致发光共聚焦显微镜图像，边缘的叶状图案让人联想到锦鲤绕池游。图片由SamuelLaGasse于2023年4月拍摄。图片来源：美国海军研究实验室/SamuelLaGasse石墨烯和TMD单层材料对周围环境都极为敏感。因此，研究人员试图通过将这些材料封装在钝化层中来保护它们。这就是氢溴酸硼的作用所在：氢溴酸硼层能够"筛选"石墨烯或TMD层附近的杂质，从而产生奇妙的特性。在最近由NRL领导的工作中，对发光TMD层周围的hBN厚度进行了仔细调整，以支持光波导模式。波导技术的进步NRL的研究人员小心翼翼地将被称为"范德华异质结构"的二维材料堆叠在一起。这些异质结构因分层而具有特殊的性能。在二硒化钼或二硒化钨等TMD的单层周围放置了hBN板，这些TMD可以发射可见光和近红外线。hBN板的厚度经过仔细调整，这样发射的光就会被困在hBN内并被波导。当光波导到氢化硼的边缘时，就会散射出来，并被显微镜探测到。六边形氮化硼波导的实空间（左）和傅立叶空间（右）光致发光图像。实空间图像显示了样品内部发出光致发光的位置，而傅立叶空间图像则描述了发出光的角度。图片由NicholasProscia于2023年4月拍摄。图片来源：美国海军研究实验室/NicholasProscia这项研究的动力来自于二维TMD光学测量所面临的挑战。当激光聚焦在TMD上时，会产生称为激子的粒子。大多数激子在TMD平面外发光，但在某些TMD中存在一种难以捉摸的激子，被称为"暗"激子，它在TMD平面内发光。NRL的板坯波导可以捕捉暗激子发出的光，从而提供了一种对其进行光学研究的方法。"二维材料具有奇特的光电特性，对海军非常有用，"Lagasse说。"一个巨大的挑战是在不损坏现有平台的情况下将这些材料与现有平台连接起来--这些氮化硼波导是实现这一目标的一步"。NRL研究人员使用两种特殊类型的光学显微镜来鉴定氢化硼波导。其中一种装置允许研究人员从光谱学角度解析波导不同点发出的光致发光。另一种装置可以让他们观察发射光的角度分布。NRL研究人员还开发了波导的三维电磁模型。建模结果为设计未来使用片状波导的二维设备提供了一个工具包。编译来源：ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1420285.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1420285.htm